陳路 丁祖軍 陳萬

引言

在早期，高壓直流經(jīng)常采用工頻升壓，然后使用二極管和晶閘管進行整流和調(diào)節(jié)。它們因電路簡單、技術(shù)成熟等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用，但因其輸出電壓難以實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)。用于高壓場合的三相PWM控制方案已被廣泛研究，因為其可以實現(xiàn)具有雙向電流和功率流的統(tǒng)一輸出。但是，開關(guān)裝置的高耐壓能力以及復(fù)雜的處理技術(shù)仍然影響著該電路的正常使用。而高壓直流電源則是指通過電力轉(zhuǎn)換技術(shù)，將在輸配電網(wǎng)絡(luò)運行過程中供給的交換電，轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實所需電網(wǎng)的儀表裝置。經(jīng)過了半個多世紀(jì)的演變之后，高壓直流電源已應(yīng)用于各行各業(yè)，包括電氣設(shè)備耐壓試驗、醫(yī)藥機械、冶金工業(yè)、直流饋電等。在以往，高壓直流電源一般使用工頻升壓方法，并且由于電路和工藝完善的優(yōu)勢而得到應(yīng)用。但現(xiàn)在因為其是直接運行于工頻中，它可以用于功率放大和隔離電流，盡管它需要一個大而笨重的工頻變壓器，但電壓畸變和長輸出電流調(diào)節(jié)時間使其難以進行速度調(diào)整，而且電壓頻率、供電質(zhì)量及其安全性都很難滿足實際需求。

一、高壓直流電源現(xiàn)狀

20世紀(jì)中后期，高電壓電流互感器開始被投入使用。在21世紀(jì)，國家電網(wǎng)規(guī)模擴大，大型互聯(lián)設(shè)施建成，單個發(fā)電機組容量超過300-1000兆瓦，形成了330kV的直流輸電系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代初期，又出現(xiàn)了利用向柵極上增加一種與接通輸出電流方式恰恰相反的電壓來實現(xiàn)關(guān)斷控制的晶閘管技術(shù)，也因此產(chǎn)生了逆變器。高壓直流輸電技術(shù)發(fā)展進入了晶閘管換流階段，其設(shè)計最大直流電壓為80KV，最高容量為320MW；自此之后興建的高壓直流輸電工程便已開始大量使用晶閘管設(shè)計，而以前的汞孤閥設(shè)計也逐漸由晶閘管所取代[1]。由于其簡化的布局和先進的技術(shù)，它被廣泛使用并已成為DC-DC逆變器站的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。20世紀(jì)90年代，新的金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)首次用于工業(yè)生產(chǎn)，1977年3月，世界上第一個使用半導(dǎo)體變壓器技術(shù)的實驗性直流輸電項目在瑞典中部投入使用。其最大功率和輸出電壓為3MW和10KV，最大傳輸長度為10KM。采用這種換流技術(shù)的換流裝置能力高，體積小，構(gòu)造簡便并且克服了由直流輸電系統(tǒng)向交流輸電設(shè)備點送電的困難，因此開始被大范圍使用。但是因為其自身消耗大等缺點，不利于大規(guī)模建設(shè)使用。近幾年來，高壓直流輸電工程進展得相當(dāng)快，在國家電網(wǎng)內(nèi)也大量采用了高壓電網(wǎng)技術(shù)，而研究與生產(chǎn)中的入門級集成晶閘管和大功率碳化硅元件中，在大型高壓直流電力輸送中也有著較好的應(yīng)用前景。這些器件壓力高，同流性能好，消耗少，體積小，穩(wěn)定性好，同時也具備自關(guān)斷性能，所以這種全新的半導(dǎo)體變流方式將逐漸代替原有的晶閘管等工藝，并將有力促進直流輸電發(fā)展。到了21世紀(jì)初總輸電能力已達(dá)53281MW，直流輸電路徑/線纜共19399Km。

二、高壓直流電源變換原理

對于三相電源方面，可以通過對其進行BUCK式的PWM交斬波處理，之后再通過較小體積的LC系列濾波電容器，對其高頻率諧波進行有效抑制，從而就能夠?qū)υ诮涣髯儔浩魃纤纬傻母呓涣麟妷哼M行有效整流，而這也就是形成高壓直流電源的最主要原因[2]。在此過程中也需要特別注意，由于所使用的整流變壓器在轉(zhuǎn)換過程中還需要通過升壓變壓器，此時就需要由技術(shù)人員妥善設(shè)置好的壓力變化比，并且要求交流變壓器和二閥式的交流變壓器必須處于相等位置。經(jīng)過實際研究我們可以發(fā)現(xiàn)，這個方法當(dāng)前已經(jīng)更加成熟，再加上表現(xiàn)出的可靠性高等優(yōu)點，在正常應(yīng)用流程中，技術(shù)人員就能通過對交流PWM變換器做出合理性選擇，確保導(dǎo)通占空比能夠得到變壓器的可靠控制，最終結(jié)果將可能呈現(xiàn)完全把控直流的效果[3]。

三、整流與逆變技術(shù)分析

整流和逆變完全不同，這兩個是不同的概念，而且完全含義完全相反。前者是指將交流的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鞯碾妷海@種轉(zhuǎn)變也能夠很單純的形容為“交轉(zhuǎn)直”，后者是指將直流的電壓轉(zhuǎn)換成交流的電壓，這種轉(zhuǎn)變能夠很單純的形容為“直轉(zhuǎn)交”。

（一）逆變

由上文即可知道逆變電路就是“直轉(zhuǎn)交”線路，而在線路的旁邊有與電網(wǎng)相連的線路就可以認(rèn)為是有源逆變電路。當(dāng)線路的一側(cè)有交流接通，同時有負(fù)載接通時，則該回路又可以稱為無源電路。如圖1所示。

圖1 逆變電路（類型：單向全橋式）

圖中所示為單向全橋式逆變電路，電路中的開關(guān)（S1-S4）的通斷完全依靠各自基極電流控制。圖中的二極管（D1-D4）為續(xù)流二極管，當(dāng)電路開關(guān)轉(zhuǎn)換時提供防止電路突然通斷造成電流沖擊，提供續(xù)流通道。iL使得通過負(fù)載的電路連續(xù)，防止對負(fù)載造成巨大的電流沖擊。當(dāng)開關(guān)S1,S4閉合，S2,S3斷開時，電路中的電流通過S1,iL，流經(jīng)負(fù)載，S4最后回歸電源負(fù)極，當(dāng)電壓穩(wěn)定時，負(fù)載電壓約等于電源電壓（為正）；當(dāng)開關(guān)S2,S3閉合，S1,S4斷開時，電路中的電流通過S1,流經(jīng)負(fù)載，iL，S4最后回歸電源負(fù)極，當(dāng)電壓穩(wěn)定時，負(fù)載電壓也約等于電源電壓（為負(fù)）。如此完成一個周期電流的轉(zhuǎn)換。通過電流持續(xù)控制開關(guān)S1-S4的通斷，就能完成直流電到交流電的持續(xù)轉(zhuǎn)換。

（二）整流

從某一種觀點上來看，整流工作過程可以認(rèn)為是一個很特殊的物理現(xiàn)象，不僅是“交轉(zhuǎn)直”，而且還是形成了一個功率流程，而這個傳向流程也就是供電到負(fù)載變換，這個流程通常我們稱為AC或者說DC變換。在物理上則是在同樣的推動力影響下，形成了不同的微小電流的逆向或是正向的輸出[4]。

首先，根據(jù)集成電路圖設(shè)計的這個電路設(shè)計比較簡單，只需一條單純的二極管單向引導(dǎo)即可到達(dá)整流的目的，但這個方式與真正意義上的整流方法完全不同，所以被叫做半波整流。但從實際效果上來說，都是直接把交流電轉(zhuǎn)換成直流電。較為典型的整流電路如圖2所顯示。

圖2 整流電路（類型：單相半波）

其次，對集成電路的工作原理介紹了電路圖中的u2、RL,u0,VD,TR等基本元素，各種元器件的主要功能也有所不同。電源變壓器為TR。以符號顯示。假設(shè)電阻的負(fù)載中有電壓通過，同時二極管中也有電壓通過時，則此時器件VD導(dǎo)通，并且在正半周u2兩端出現(xiàn)了a,b瞬時變化的極性，而若形成了降壓，則UL被全部省略了。

在高壓電源裝置使用過程中，由于反映出了更多工作頻率特點，在直接影響開關(guān)時間并出現(xiàn)反復(fù)開關(guān)的基礎(chǔ)上，無形之中提高了運行能耗率。在這種情況下，就需要工作人員進行設(shè)計調(diào)整，必須把重點放到逆變器拓?fù)浼軜?gòu)上，在妥善選型和使用的基礎(chǔ)上，才可以防止上述情況的發(fā)生。同時，也要考慮到可以有效防止較高頻率下的巨大損失發(fā)生的解決辦法，斷開開關(guān)，此時就可以使電流值達(dá)到零值，從而減少了能耗問題的發(fā)生。做好測試部分的優(yōu)化調(diào)整工作。如果使用高頻、高壓電源，通?？梢栽O(shè)計成數(shù)字集成電路，全面控制輸出壓力值。數(shù)字控制開關(guān)也是如此，它可以在連續(xù)和間歇模式之間進行切換。

（三）諧振變換器

同步整流電壓設(shè)計，其優(yōu)點一方面在于更小的導(dǎo)通電壓的特性，而且還可以代替之前二極管達(dá)到的整流環(huán)節(jié)穩(wěn)壓功能，另一方面也可以更有效地控制了較低壓的電流整流，最后，這也是維護好集成電路結(jié)構(gòu)的重要手段。當(dāng)前，在電子行業(yè)中所使用的多數(shù)轉(zhuǎn)換器過程中，還有許多整流電路裝置均處于硬開關(guān)電源狀態(tài)，如果在此時頻繁操作開關(guān)，則必然會造成切換損失量不斷上升，從而嚴(yán)重降低系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和安全性。此外，部分企業(yè)在選擇同步整流變換器過程中，也往往出現(xiàn)自驅(qū)動狀態(tài)，一定程度上會對主電路構(gòu)成巨大威脅，影響系統(tǒng)運行效率，產(chǎn)品質(zhì)量也難以提高。[5]。以上分析各種類型的自動變換器，諧振變換器不但擁有更小尺寸的體積優(yōu)勢，同時還可以具有極高的性能，這也是業(yè)界人員相當(dāng)重視的原因。

（四）PWM交流斬波電路

一種直接AC/AC變換電路，由于內(nèi)部所表現(xiàn)出的各種功能方式，被區(qū)分為相控與斬控兩個部分。而針對斬控的轉(zhuǎn)換電路形式，相較于前一類子方法來說，更具備了明顯的意義，具體原因應(yīng)該從如下幾個方面加以探討：(1）由負(fù)載條件決定的交直流轉(zhuǎn)換器的功率特性，也會導(dǎo)致功率因數(shù)的巨大變化。（2）由于斬波器驅(qū)動的逆變電路，無論是在輸出端還是在輸入端，都只將相對較高的諧波切換到容易消除的水平，所以輸出波形的數(shù)值應(yīng)該接近當(dāng)時的實際正弦值。重要的一點是，隨著占空比的不斷變化，輸出負(fù)載也會發(fā)生變化，而且這些變化的幅度往往會在很大范圍內(nèi)變化。（3）在表現(xiàn)出高速動作響應(yīng)和極高工作效能的特點下，業(yè)內(nèi)專家對斬控式交流變換器高度重視，其成為今后高壓直流電源核心技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)，這還需廣大人員繼續(xù)探索，才能有效地將其運用到各個領(lǐng)域的實際工作。

（五）PWM整流器控制技術(shù)

控制技術(shù)也是決定PWM傳輸裝置發(fā)展方向的關(guān)鍵因素，因為PWM傳輸裝置的電壓監(jiān)控是輸入電壓和輸出電流，對輸入和輸出電壓的監(jiān)控也是監(jiān)控整個整流器的關(guān)鍵因素。這是因為使用PWM整流器的主要目的是使輸入電壓正弦化和功率因數(shù)單元的正常運行。對輸入電流有效控制實質(zhì)就是對電力電子轉(zhuǎn)換器中功率流的控制，進而限制輸入輸出電流范圍；反之，透過抑制轉(zhuǎn)換器的有功能量與無功能量流轉(zhuǎn)，進而調(diào)節(jié)輸入輸出的直流電壓與輸入工作電流范圍，使其維持在單位功率因數(shù)的工作水平。PWM方面的輸出電流限制策略一般分為兩類：第一類是 “間接輸入電流限制 ”策略；第二類是目前主流的 “整流輸入電流限制”策略。“間接輸入電流限制”其實也就是所說的“幅相”輸出電流控制技術(shù)，也就是通過限制電壓型PWM整流器的交換側(cè)輸入輸出電流范圍的波幅變動和相位，進而間接調(diào)節(jié)其網(wǎng)側(cè)輸出電流。因為“間接電流限制”其網(wǎng)側(cè)電流的動態(tài)響應(yīng)速度慢，而且對系統(tǒng)參數(shù)變動靈敏，所以該種限制對策已逐漸被“直觀電流限制”的技術(shù)所代替。而直觀電流限制的最大優(yōu)點在于采用了輸出電流環(huán)路，使監(jiān)控系統(tǒng)動力學(xué)的穩(wěn)定性明顯提高。電流外環(huán)主要進行監(jiān)控電流密度指示，而輸入輸出電流內(nèi)環(huán)則主要控制系統(tǒng)電流密度，使之迅速地跟蹤輸入輸出的電流指示，其動作響應(yīng)較快、限流簡便、控制精度高[6]。

（六）PID控制原理

PID控制器自問世以來已經(jīng)有70年，通常被用作線性控制器。一個PID控制器有三個不同層次的功能控制。（1）比例系數(shù)，即當(dāng)誤差發(fā)生時，誤差信號的比例性被放大或縮小，可立即起到調(diào)節(jié)控制器輸出的作用，使被控變化的幅度向誤差減小的方向發(fā)展，比例系數(shù)的數(shù)值決定了誤差減小的速度。（2）積分關(guān)系，它總是在穩(wěn)態(tài)值的方向上施加一個力，使穩(wěn)態(tài)誤差得以消除。積分效應(yīng)的強度取決于積分時間常數(shù)的大小，時間常數(shù)越大，積分效應(yīng)越弱，反之亦然。增加積分時間常數(shù)會減慢靜態(tài)失配校正過程，但可以避免過度測定，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。（3）微分環(huán)節(jié)，可以反映偏差信號的變化趨勢，因為系統(tǒng)在誤差控制過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至不穩(wěn)定，所以差分端可以根據(jù)偏差信號的變化趨勢引入修正信號，這樣可以減少超調(diào)和振蕩，從而減少了控制時間，加快了系統(tǒng)的反應(yīng)，改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性。

由于連續(xù)模擬量不能直接用于數(shù)字控制，偏置量和控制量只能根據(jù)采樣時的實際值計算，積分方程和微分方程不能直接使用，因此必須是離散和等效的。經(jīng)典的PID控制算法使用一系列的采樣點來代表連續(xù)時間，用增量求和法代替微分法，這樣PID控制對數(shù)字控制系統(tǒng)來說可以是離散的。由于在這項工作中，負(fù)載很少變化，所以通常使用閉環(huán)PI電壓調(diào)節(jié)。

結(jié)束語

隨著時間的推移，直流高壓供電系統(tǒng)設(shè)備的工藝設(shè)計創(chuàng)新技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于多種能源行業(yè)。其中，首先出現(xiàn)的是無界或相控整流結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)比較簡單，但輸入輸出的高頻諧波濃度過高，功率因數(shù)較小。而優(yōu)化輸入輸出波形的三電平PWM整流電路，可用于功率因數(shù)校正，是目前的研究熱點，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制過程也比較復(fù)雜；當(dāng)前，關(guān)于高壓電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計也有不少的研究，其工作頻率的增加可以減少整個系統(tǒng)容積和重量，然而高頻高壓變壓器的設(shè)計工作也給該方法提供了新的技術(shù)難題。